2024年1月31日，巴黎高等师范学院研究人员Yves Boubenec在Nature News & Views上发表了一篇名为《How the brain produces and perceives speech（大脑怎样产生与感知言语）》”的文章。文中介绍了最近两个发表在Nature期刊上的工作，Leonard和Khanna两个研究团队利用神经探针对大脑皮层中语言产生和感知进行了深入探究，展示了我们大脑皮层语言产生与感知的复杂过程。下面厦门助听器-益耳助听器专家来为大家介绍一下文章的主要内容。
语言的层次架构
语言具有复杂的层次架构，从最小的单位音素，到音节，再到完整的单词和句子。音素是语言的基本构建单位，不同的音素组合成音节，再形成不同的单词，不同的单词组成句子。研究表明，大脑中的神经元不仅能识别单个音素，还能对具有相似发音特征的音素组进行调谐。
神经探针：神经活动的新视角
研究人员Leonard等人和Khanna等人使用了一种先进的神经探针—Neuropixels，这种探针能够稳定地同时记录多个神经元的活动，为我们提供了前所未有的高分辨率数据。这些实验涉及志愿者在执行听和说任务时的神经活动记录，揭示了语言处理的复杂机制。
实验设计
在实验中，志愿者被要求执行一系列听和说的任务：
1)听任务：志愿者听取不同的单词和句子，同时记录他们的听觉皮层活动。例如，词语“dig”、“dug”、“dog”和“god”，仅通过单个音素的变化或音位的重新排列来区分。
2)说任务：志愿者重复听到的单词和句子，同时记录他们的前额叶皮层活动。
数据收集
使用Neuropixels神经探针，研究人员同时记录了多个神经元的活动。如图1所示，这些探针被植入志愿者的听觉皮层和前额叶皮层，提供了高分辨率的神经活动数据。通过分析这些数据，研究人员能够追踪大脑在语言处理过程中的神经活动模式。
图1. A/ Leonard等人使用一种名为Neuropixels的颅内神经探针测量了在听取言语时大脑听觉皮层上颞回区域(上颞回是大脑中负责处理言语声音的区域)单个神经元的活动。B/ Khanna等人使用相同的方法，测量了前额皮层(前额皮层是大脑中负责与词语计划相关的神经元的活动区域)。参与者在说话或听取言语时，研究人员记录了这些神经元的活动。两个团队均发现：单个神经元对言语的特定特征具有调谐作用，包括语音的声音或音素(言语的最小单位)在单词中的位置。例如，听到或说出单词“狗(dog)”时，不同的音位会激活不同的神经元群体。
数据分析
研究团队对收集到的数据进行了详细分析，主要关注以下几个方面：
1) 神经元反应：分析神经元对不同音素、音节和单词的反应模式。
2) 神经元调谐：研究神经元是否对特定音素或音素组进行调谐。
3) 信息传递：探索听觉皮层和前额叶皮层之间的信息传递机制。
听觉皮层与前额叶皮层的角色
研究发现，听觉皮层中的上颞回专门负责处理语言声音的高级信息，而前额叶皮层则负责单词计划和句子构建。具体来说，研究表明，听觉皮层中的神经元对不同的语音特征和非语言提示（如句子的开头）显示出多样化的响应。这些神经元以“列”的形式组织，跨越多个皮层层次，表明它们可能是语音处理的基本计算单元。而前额皮层中的神经元则表现出对即将发声的音素类别和词汇中音素位置的敏感性。这些研究成果揭示了神经元在语音计划和执行过程中的时序性活动模式，类似于猕猴运动皮层在运动准备和执行中的模式。
研究意义与未来方向
Neuropixels神经探针平台对于语言理解与发声障碍的诊断和治疗有重要意义，通过继续探索听觉皮层和前额叶皮层之间的信息传递机制，我们有望开发出更有效的语言康复训练方法，帮助语言障碍患者恢复语言能力。研究结果有潜力应用于合成言语，帮助那些失去言语能力的人重获交流能力，还可用于增强其他新兴的脑-机接口方法，通过实时追踪和解码自然言语生产过程中的神经活动，提升接口的精准度和实用性。
Neuropixels探针提供了一个能结合超高密度微电极记录和自然言语追踪的有前景的平台，可以深入研究语言生成的细胞尺度机制。目前大规模神经元记录的演示将大大加速我们对人类皮层独特计算和表示的理解。未来的研究将进一步探讨听觉皮层如何将听觉信息传递到运动中心，以实现准确的语音发声。结合神经科学、语言学和计算建模等多学科方法进一步揭示听觉和运动中枢之间信息传递的机制，尤其是关于如何从听觉信息转化为正确语音产生所需的肌肉运动的问题。
参考文献
1.Leonard, M. K., Gwilliams, L., Sellers, K. K., Chung, J. E., Xu, D., Mischler, G., ... & Chang, E. F. (2024). Large-scale single-neuron speech sound encoding across the depth of human cortex. Nature, 626(7999), 593-602.
2.Khanna, A. R., Muñoz, W., Kim, Y. J., Kfir, Y., Paulk, A. C., Jamali, M., ... & Williams, Z. M. (2024). Single-neuronal elements of speech production in humans. Nature, 626(7999), 603-610.
3.Boubenec, Y. (2024). "How speech is produced and perceived in the human cortex," Nature, 626, 485-486.
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